引言

　　近年來，隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展及電力系統(tǒng)容量不斷擴大，各種分布式發(fā)電單元逐步接入電網(wǎng)，各種非線性負(fù)載使用也不斷增加，造成公用電網(wǎng)電能質(zhì)量日益惡化，而各種電子設(shè)備對電壓擾動的敏感性有增無減。因此，電力運行對電力調(diào)度自動化水平的要求和安全性的要求越來越高。電力調(diào)度需要各種功能更為齊全、操作更為簡便的各種電力檢測儀器儀表，對電能質(zhì)量擾動進(jìn)行檢測、定位和分類，以便及時治理。隨著中國電力市場的逐步建立，電能逐步實現(xiàn)按質(zhì)論價，電力用戶也要求高質(zhì)量的電能來保證其設(shè)備、儀器和系統(tǒng)的正常運行。

　　傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀表多采用RS － 485、光纖、Modem 撥號等有線傳輸方式，在偏遠(yuǎn)地區(qū)監(jiān)測點分散，環(huán)境惡劣，涉及到布線施工、建設(shè)成本、安全和可靠性等一系列問題。因此，近年來多采用無線傳輸方式。目前，電網(wǎng)監(jiān)測儀表大多采用GSM 短消息方式與上位機進(jìn)行通信。GSM 短消息通信方式為半雙工通信方式，不能同時雙向收發(fā)數(shù)據(jù)，實時性不強，而且在通信流量較大的情況下費用高。GPRS ( General Packet Radio Service)采用分組交換技術(shù)，支持基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用，可和IP 網(wǎng)、X. 25 網(wǎng)互聯(lián)互通，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)流量、業(yè)務(wù)類型及服務(wù)質(zhì)量等級的計費功能。其計費方式更加合理，在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r、準(zhǔn)確的前提下，將系統(tǒng)運行費用也降低到了最低。

　　本文設(shè)計了一種基于GPRS 通信技術(shù)的電能質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)，滿足電能質(zhì)量監(jiān)測的實時性要求，實時地監(jiān)測電能質(zhì)量的各項指標(biāo)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　1. 1 總體設(shè)計

　　以電網(wǎng)運行方式而言，目前的電能質(zhì)量問題可分為暫態(tài)電能質(zhì)量問題和穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題2大類。暫態(tài)電能質(zhì)量問題通常以頻譜和持續(xù)時間為特征，分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)2 大類，其主要性能指標(biāo)是電壓波動和閃變、電壓跌落及瞬間電壓中斷，其中，電壓跌落的影響最為普遍。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量以波形畸變?yōu)橹饕卣?，持續(xù)時間較長，其主要性能指標(biāo)是諧波電壓、諧波電流、三相電壓不平衡、電壓偏差等。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量參數(shù)是進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測的主要對象。

　　電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)控主站、GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測終端3 部分構(gòu)成，如圖1 所示。

　圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　1. 2 系統(tǒng)工作原理

　　監(jiān)測終端通過自身裝配的GPRS 無線模塊(GPRS DTU)接入GPRS 網(wǎng)絡(luò)，再通過GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)連接到Internet 公用數(shù)據(jù)網(wǎng)，繼而連接到監(jiān)控主站，將數(shù)據(jù)送監(jiān)測主站作進(jìn)一步分析和處理。

　　根據(jù)電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)督管理的實際需要，確定監(jiān)測單元數(shù)量和安裝地點。

　　監(jiān)測終端的GPRS 模塊( GPRS DTU) 內(nèi)嵌TCP /IP 協(xié)議，每個模塊有可隨時設(shè)置和修改的唯一的ID 號，并保存主站的IP 地址。GPRS DTU上電后進(jìn)行初始化，設(shè)置相應(yīng)的通信參數(shù)，終端按設(shè)置的參數(shù)主動向主站發(fā)出連接請求，GPRS 網(wǎng)絡(luò)的SGSN 處理該請求，為其分配一個動態(tài)IP 地址;終端與主站建立連接后，主站報告自身的終端地址，主站收到后將其加到動態(tài)地址數(shù)據(jù)庫中，然后根據(jù)管理員的設(shè)定，完成任務(wù)及警告的主動上傳。如果終端不能建立與主站的有效TCP 連接，會將實時數(shù)據(jù)壓縮存儲，待建立連接后再發(fā)送到主站。

　　監(jiān)測主站是一個計算機系統(tǒng)，可實現(xiàn)對監(jiān)測終端的監(jiān)控和信息管理，并通過后臺軟件，實現(xiàn)對采集的各種電能質(zhì)量信息的統(tǒng)計、分析和處理，實現(xiàn)長期數(shù)據(jù)的存儲與管理。其有固定的IP 地址，并對終端開放相應(yīng)的偵聽端口;接收GPRS DTU的連接請求，向終端下發(fā)參數(shù)和命令。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)流經(jīng)公網(wǎng)，為保證系統(tǒng)的安全性，數(shù)據(jù)傳輸至GPRS DTU 前可通過數(shù)據(jù)加密，而遠(yuǎn)程監(jiān)測主站的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，由專用處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密和校驗。系統(tǒng)實現(xiàn) #e#

　　2 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　2. 1 監(jiān)測終端的硬件結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)測終端主要測量系統(tǒng)電壓波動、短時閃變和長時閃變;測量50 次以內(nèi)諧波電壓和諧波電流的含有率、電壓和電流總諧波畸變率;測量三相電壓、電流基波的幅值和相位，以及正序、負(fù)序、零序分量的幅值、相位和不平衡度;測量系統(tǒng)電壓偏差和頻率偏差。它具有友好的人機交互功能，用戶可方便地得到相關(guān)的信息;具有遠(yuǎn)程傳輸功能，服務(wù)于更高層的信息管理和分析系統(tǒng)。

　　終端監(jiān)控單元主要由中央處理單元(MCU)、數(shù)據(jù)采集電路和GPRS 模塊構(gòu)成，如圖2 所示。

　　MCU 采用S3C2410 微處理器，基于ARM920T 內(nèi)核的32 bit RISC CPU，采用5 級指令流水線，處理器運行時的時鐘頻率最高可達(dá)到203 MHz; 片內(nèi)主要有SDRAM控制器、3 通道的UART、4 通道的DMA、4 個具有PWM 功能的計時器和1 個內(nèi)部時鐘、8 通道10 bit A/D、觸摸屏接口和I2C 總線接口等，具有MMU 功能，適合移植Linux 操作系統(tǒng);具有低功耗、高性能的特點。

　　S3C2410 芯片使用2 片容量為32 MB、16 bit 的HY57V561620B 芯片，構(gòu)成容量為64 MB、32 bit的SDRAM 存儲器，主要用作程序的運行空間及中間數(shù)據(jù)的保存，系統(tǒng)初始化后程序代碼調(diào)入SDRAM 運行，可提高模塊的處理速度; 容量為2 MB的NOR Flash 芯片SST39VF3601 用于存放引導(dǎo)程序;容量為64 MB 的NAND Flash 芯片K9F120810B 主要用于存放程序代碼、常量表，以及一些在系統(tǒng)斷電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。

圖2 電能質(zhì)量監(jiān)測終端硬件結(jié)構(gòu)圖

　　三相電流經(jīng)過電流互感器(CT)，三相電壓經(jīng)過電壓互感器(PT)后轉(zhuǎn)換到適合的范圍，再經(jīng)過濾波及信號調(diào)理。由于諧波分析的范圍為2 ～ 50次諧波，設(shè)置了有源二階低通濾波器，濾除信號中高于50 次的諧波，以免出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，發(fā)生測量誤差。ADS7864 是一種高速、低功耗、6 通道、同時采樣保證無失碼的雙12 bit A/D 轉(zhuǎn)換器。它包含2 個同時工作的12 bit A/D 轉(zhuǎn)換器，可以將轉(zhuǎn)換結(jié)果分別存放在6 個寄存器中，6 個通道轉(zhuǎn)換完后，由MCU 順序讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后再進(jìn)行下一次采樣、轉(zhuǎn)換［4］。電信號由A/D 采樣芯片ADS7864 進(jìn)行同步采樣、保持、A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入主芯片S3C2410 進(jìn)行計算、數(shù)據(jù)處理、存儲數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)，再把實時計算結(jié)果送到LCD 顯示，并把超標(biāo)數(shù)據(jù)存儲在NAND Flash 存儲器里。

　　在MCU 中，對采集到的周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉(FFT) 級數(shù)分解，可得到基波分量和大于基波頻率的諧波分量，由FFT 運算得到基波的幅值和相位，以及各次諧波的幅值和相位，求出三相電壓的正序、負(fù)序分量，確定三相不平衡度，得到電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、電壓波動和電壓短時閃變等計算結(jié)果。

　　采用GPRS 模塊的MC55 實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，是一款內(nèi)部帶有TCP /IP 協(xié)議棧的模塊，目前廣泛運用于智能公交、無線數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程無線抄表等系統(tǒng)中，可在－ 20 ～ 70 ℃的環(huán)境下正常工作，功耗低、可靠性高、性價比高。由于MC55 模塊內(nèi)嵌TCP /IP 協(xié)議棧，對用戶屏蔽了傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層及數(shù)據(jù)鏈路層，用戶可直接對應(yīng)用層進(jìn)行軟件開發(fā)，降低了設(shè)計的復(fù)雜度，同時提高了控制器處理其他數(shù)據(jù)的能力。MC55 與S3C2410可以通過標(biāo)準(zhǔn)的串口直接相連，如圖3 所示。

圖3 GPRS 模塊與S3C2410 連接圖

　　由于MC55 模塊串口部分的邏輯電平為+ 2. 65 V，不能直接與S3C2410 的+ 3. 3 V 串口相連，需要加邏輯電平轉(zhuǎn)換電路。該設(shè)計在其各引腳電路中都串接了一個100 Ω 的電阻，以實現(xiàn)兩者串口電平的匹配。模塊的RING0 口與S3C2410 的UCLK 引腳相連，當(dāng)數(shù)據(jù)到來時用來通知控制器，作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嘈盘枴?. 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計模式采用B /S 模式，采用Internet /Intranet技術(shù)，適用于廣域網(wǎng)環(huán)境，可根據(jù)訪問量，動態(tài)配置Web 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，以保證系統(tǒng)性能?？蛻舳酥苯永矛F(xiàn)有的局域網(wǎng)或Internet 連接，不需要特殊設(shè)置和安裝;使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet 瀏覽器，直接訪問Web 服務(wù)器頁面，即可觀看監(jiān)測和分析電能質(zhì)量的實時數(shù)據(jù)，并能查詢所需歷史數(shù)據(jù)。

　　主站主要用于與監(jiān)測終端進(jìn)行通信，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理?？紤]到系統(tǒng)的移植性和跨平臺性，使用J2EE 企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)平臺，有利于系統(tǒng)功能模塊的擴展和系統(tǒng)安全性的保障;用ASP技術(shù)開發(fā)Web 服務(wù)器，使用Apache 和Tomcat整合服務(wù)器環(huán)境;使用數(shù)據(jù)庫MySQL，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲和管理。

　　監(jiān)測終端向主站發(fā)送信息、數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行相應(yīng)的控制操作等。監(jiān)測終端采用了嵌入式Linux實時操作系統(tǒng)。其具備完整的嵌入式TCP /IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，可根據(jù)需要進(jìn)行裁剪。軟件采用C 語言編寫，其結(jié)構(gòu)采用模塊化形式，監(jiān)測終端程序流程如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測終端程序流程圖

　　3 測試結(jié)果

　　采用FLUKE F43B 電能質(zhì)量記錄儀和該監(jiān)測系統(tǒng)對同一電壓波形進(jìn)行處理，并將測量結(jié)果進(jìn)行比較，驗證系統(tǒng)的正確性。FLUKE F43B 是手持式單相諧波功率儀，集示波器、萬用表和電能質(zhì)量分析儀于一體，能進(jìn)行2 ～ 51 次諧波分析，可測電壓、電流、功率因數(shù)和諧波相位等參數(shù)。測量到的數(shù)據(jù)精確有效，適合高級電能質(zhì)量分析和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)測試。以測量實驗室單相電壓為例，比較結(jié)果如表1 所示。該電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可以比較準(zhǔn)確地測到電壓有效值、電壓峰值、功率因數(shù)和基波頻率等數(shù)據(jù)。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)比較。

　　4 結(jié)語

　　設(shè)計的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)通過無線通信，實現(xiàn)對電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)分析，不僅減少了建設(shè)成本，而且可任意增減監(jiān)測站點，具有無需布線、工作量小、傳輸數(shù)據(jù)量大和系統(tǒng)建設(shè)周期短等優(yōu)點。通過對電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測和分析，為實現(xiàn)電能質(zhì)量智能化管理提供了可行性基礎(chǔ)。

　　實驗室測試表明，監(jiān)測系統(tǒng)的各項指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，通信組網(wǎng)功能強、成本低、使用靈活、可擴展性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。